仿查询分析器的C#计算器——2.记号对象
2009-03-20 08:20:58 来源：WEB开发网上一篇中提到了用树形结构来分析表达式并计算求值的思路。但对程序来说，输入的表达式只是一个字符串而已。要将表达式表示成树型结构，首先必须可以将表达式分解成一个个节点，然后才可以由节点组成树。这里将树上的每一个节点称之为记号对象TokenRecord。
根据上面的分析得出，记号对象要求有一个存储自身值的变量，有自己特定的计算方法，还要能知道其下级的值。由此可以得出TokenRecord的基本信息（略去非关键信息）：
属性
Index：在表达式中的列号，int类型，出错时用于指示错误所在，从1开始。
Priority：优先级，int类型，在分析表达式的时候需要。
TokenValue：记号值，object类型
ChildList：下级列表，List对象，用来存储下级元素，实现树结构。
方法
Execute：执行该元素的操作，abstract方法。
SetChildCount：设置下级数量，虚方法，用于检查下级数量合法性，在构造函数中调用。对应有一个m_ChildCount字段，用于存储下级数量。因为检查下级属于元素内部的任务，所以将m_ChildCount设置为protected，也没有对应的ChildCount属性。
SetPriority：设置优先级，虚方法，在构造函数中调用。
CheckChildCount：检查下级数量，在Execute中调用，保证表达式合法。
其中TokenValue属性使用object类型是因为这里支持字符串、数值和逻辑值的运算。在最开始设计的时候，曾经采用过两个字段string和double类型来存储字符串和数值，逻辑值也用数值表示，后来改成object更简单了。
TokenRecord类的代码如下：
/// <summary>
/// 记号对象
/// </summary>
/// <remarks>Author:Alex Leo;</remarks>
public abstract class TokenRecord
{
#region 属性和字段
//下级个数
protected int m_ChildCount;
private int m_Index;
/// <summary>
/// 列序号
/// </summary>
public int Index
{
get { return m_Index; }
}
/// <summary>
/// 优先级，必须赋值
/// </summary>
protected int m_Priority;
/// <summary>
/// 优先级
/// </summary>
/// <returns></returns>
public int Priority
{
get { return m_Priority; }
}
private int m_Length;
/// <summary>
/// 操作符长度
/// </summary>
public int Length
{
get { return m_Length; }
}
private Type m_TokenValueType;
/// <summary>
/// 记号值类型
/// </summary>
public Type TokenValueType
{
get { return m_TokenValueType; }
set { m_TokenValueType = value; }
}
private object m_TokenValue;
/// <summary>
/// 记号值
/// </summary>
public object TokenValue
{
get { return m_TokenValue; }
set { m_TokenValue = value; }
}
private List<TokenRecord> m_ChildList = new List<TokenRecord>();
/// <summary>
/// 下级列表
/// </summary>
public List<TokenRecord> ChildList
{
get { return m_ChildList; }
}
#endregion
/// <summary>
/// 构造函数
/// </summary>
/// <param name="Index">序号</param>
/// <param name="Length">自身长度</param>
public TokenRecord(int Index, int Length)
{
this.m_Index = Index;
this.m_Length = Length;
this.SetPriority();
this.SetChildCount();
}
#region 方法
/// <summary>
/// 重写ToString方法
/// </summary>
/// <returns></returns>
public override string ToString()
{
//可以根据需要修改以显示不同的信息
return this.GetType().Name + "_" + GetValueString() + "_" + TokenValueType.ToString();
}
/// <summary>
/// 获取值的字符串表示
/// </summary>
/// <returns></returns>
public string GetValueString()
{
return this.TokenValue.ToString();
}
/// <summary>
/// 检查下级数量，必要时可以重写，因为有些Token的下级数量可以是一个区间
/// </summary>
/// <param name="ErrorInformation">下级数量不符时显示的错误信息</param>
internal void CheckChildCount(string ErrorInformation)
{
if (this.m_ChildList.Count != this.m_ChildCount)
throw new SyntaxException(this.m_Index, this.m_Length, ErrorInformation);
}
#region 必须重写的方法
/// <summary>
/// 执行代码
/// </summary>
public abstract void Execute();
/// <summary>
/// 设置下级数量
/// </summary>
protected abstract void SetChildCount();
/// <summary>
/// 设置优先级
/// </summary>
protected abstract void SetPriority();
#endregion
#endregion
#region 转换记号值类型
/// <summary>
/// 将记号值转换为字符串类型
/// </summary>
internal string ChangeTokenToString()
{
string strValue;
strValue = (string)(this.TokenValue = this.TokenValue.ToString());
this.TokenValueType = typeof(string);
return strValue;
}
/// <summary>
/// 将记号值转换为数字类型
/// </summary>
/// <param name="ErrorInformation">无法转换成数字时显示的错误信息</param>
internal double ChangeTokenToDouble(string ErrorInformation)
{
double dblValue;
if (this.TokenValueType != typeof(double))
{
if (double.TryParse(this.TokenValue.ToString(), out dblValue))
this.TokenValueType = typeof(double);
else
throw new SyntaxException(this.m_Index, this.m_Length, ErrorInformation);
}
else
{
dblValue = (double)this.TokenValue;
}
return dblValue;
}
/// <summary>
/// 将记号值转换为逻辑值
/// </summary>
internal bool ChangeTokenToBoolean()
{
bool blnValue = false;
if (this.TokenValueType == typeof(string))
{
switch (this.TokenValue.ToString().Trim().ToLower())
{
case "true":
blnValue = (bool)(this.TokenValue = true);
break;
case "false":
case "":
default:
blnValue = (bool)(this.TokenValue = false);
break;
}
this.TokenValueType = typeof(bool);
}
else if (this.TokenValueType == typeof(double))
{
blnValue = (bool)((Convert.ToInt32(this.TokenValue) != 0) ? (this.TokenValue = true) : (this.TokenValue = false));
//检查上一行代码是否错误
this.TokenValueType = typeof(bool);
}
else if (this.TokenValueType == typeof(bool))
{
blnValue = (bool)this.TokenValue;
}
else
{
}
return blnValue;
}
#endregion
}//class TokenRecord
设计出基类TokenRecord后，其他记号类都可以从它继承，然后实现自己的特定计算方法即可。那么实际的表达式中有哪些类型的记号呢？经过分析得出，表达式中所包含的的操作元素无非这几种：关键字，运算符，字符串，数字。
关键字：if，sin，cos，true，false，pi等以英文字母开头的词，其中可以包含数字或者其他允许的符号
运算符：+，-，*，/，，>，<，>=，<=，&&，||，！等，纯符号操作元素，可以由好几个字符组成
字符串："hello"，'good'，"where's my book"等，由字符串标识符单引号或者双引号标识的字符串。字符串中允许包含当前字符串标识符之外另一种字符串标识符，即双引号字符串中可以包含单引号，单引号字符串中可以包含双引号，这一点和JavaScript类似。如果在字符串中包含当前标识符，则必须用连续两个标识符进行转义。
数值：12，856，42.123，-62.45，允许包含小数点和负数。（本程序中对负数的处理在某些情况下会有错误，有兴趣的朋友可以完善一下）
进一步分析发现，字符串和数值有一定的相似性，就是它们并不需要计算，只需要作为一个存储单元即可。那么就可以将它们合并，称为值记号对象TokenValue。其他记号对象在Execute中实现自己的特定算法，而值记号对象的Execute方法中不做任何操作。
按照上面对操作元素的分类，从TokenRecord类衍生出一下几个类：TokenValue（对应字符串和数值），TokenMethod（方法类，抽象类，对应部分关键字而非全部，因为有些关键字是常量，可以用TokenValue表示）， TokenSymbol（对应运算符，抽象类）。类图如下：
然后再从这些类中衍生出更多的具体的类，比如TokenIf， TokenSin， TokenCos， TokenPlus， TokenMinus。
以这个表达式为例，23.5+(54/3-9)*2，分析出来的TokenList记号对象列表如下：
记号对象 | 对应表达式 |
TokenValue | 23.5 |
TokenPlus | + |
TokenLeftBracket | ( |
TokenValue | 54 |
TokenDivide | / |
TokenValue | 3 |
TokenMinus | - |
TokenValue | 9 |
TokenRightBracket | ) |
TokenMultiply | * |
TokenValue | 2 |
这样就把传入的表达式字符串表示成程序可以识别的对象了，然后再对这些记号对象进行处理，最终得到计算结果。这一节只是介绍记号对象，至于怎么将表达式转换成记号对象，下一篇再详细介绍。
接下来是如何实现具体的TokenRecord类。以乘法记号类TokenMultiply为例，TokenMultiply继承自TokenArithmetic，TokenArithmetic继承自TokenSymbol，TokenSymbol继承自TokenRecord。
TokenSymbol类也是一个抽象类，只是将部分重复的设置实现了，减少其子类中重复的代码，TokenSymbol类的代码如下：
public abstract class TokenSymbol : TokenRecord
{
public TokenSymbol(int Index, int Length)
: base(Index, Length)
{
this.TokenValueType = typeof(double);//部分操作符必须根据实际修改
}
protected override void SetChildCount()
{
this.m_ChildCount = 2;//必须根据实际修改
}
public abstract override void Execute();
}
TokenArithmetic类则是个完全的抽象类，只是为了进行分类而已，任何功能都没实现，其代码如下：
public abstract class TokenArithmeticSymbol : TokenSymbol
{
public TokenArithmeticSymbol(int Index, int Length)
: base(Index, Length)
{
}
public abstract override void Execute();
}
最后是TokenMultiply类，它实现具体的乘法操作，代码如下：
public class TokenMultiply : TokenArithmeticSymbol
{
public TokenMultiply(int Index, int Length)
: base(Index, Length)
{
}
protected override void SetPriority()
{
this.m_Priority = 3;
}
public override void Execute()
{
this.CheckChildCount("乘法的运算元素数量不合法");
TokenRecord TokenFirst = this.ChildList[0];
TokenRecord TokenSecond = this.ChildList[1];
TokenFirst.Execute();
TokenSecond.Execute();
this.TokenValue = TokenFirst.ChangeTokenToDouble("乘法的运算元素不是数值") * TokenSecond.ChangeTokenToDouble("乘法的运算元素不是数值");
}
}
TokenRecord中的三个虚方法SetChildCount， SetPriority， Execute都得到了实现。这里每一个具体的记号都只负责自己内部的计算，降低了类和外部的联系，即高内聚低耦合。如果需要添加新的计算方法，只需要从TokenRecord继承，然后实现这三个方法即可，可以很容易的进行扩展。例如本程序中实现了三角函数sin和cos，但未实现tan。如果需要实现tan，只需要根据sin或者cos的实现方法去做就可以了。甚至可以再提炼出一个抽象类，让所有的三角函数计算都从它继承。
本篇就到此，下一篇将介绍如何将表达式字符串转换成程序可以处理的TokenRecord对象列表。
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